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用于太赫兹波发生装置的磁场电源系统研究

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1 绪论

1.1 课题研究背景

1.1.1 太赫兹波的特点

1.1.2 太赫兹波的应用

1.1.3 太赫兹波的产生方法

1.2 国内外研究现状

1.2.1 基于回旋管的太赫兹波发生装置

1.2.2 电容型重复脉冲电源系统

1.2.3 直流电压精确测量

1.3 本文主要研究内容

2 系统拓扑电路设计及仿真验证

2.1 系统总体初步设计

2.2 充电拓扑电路设计

2.2.1 充电拓扑电路研究

2.2.2 充电拓扑电路工作方式研究

2.2.3 主要参数计算

2.2.4 高频变压器设计

2.2.5 充电控制策略

2.2.6 充电拓扑电路仿真结果

2.2.7 主要器件选型

2.3 放电拓扑电路设计

2.3.1 放电拓扑电路初步设计

2.3.2 放电仿真及器件选型

2.4 本章总结

3 系统硬件及软件实现方案

3.1 系统硬件实现方案

3.1.1 整流及逆变部分

3.1.2 高频升压整流部分

3.1.3 电压电流采集部分

3.1.4 精确电压采集

3.1.5 控制部分

3.1.6 人机交互及通信部分

3.2 系统软件实现方案

3.3 本章总结

4 样机测试结果及分析

4.1 样机测试系统搭建

4.2 充电测试系统及试验分析

4.2.1 MOSFET反向续流异常

4.2.2. 驱动芯片引脚负过冲

4.2.3充电试验结果

4.3 放电测试系统及试验分析

4.4 本章总结

5 全文总结及工作展望

致谢

参考文献

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摘要

太赫兹波是目前尚未被科学界系统研究的唯一电磁频段,自上世纪末以来,因其独有的性质极有可能会在下一代通信技术、医学、基础研究等领域带来革命性突破而备受科学家的青睐。目前,对于包括太赫兹波发生方式在内的有关研究还处于探索阶段,距离大规模应用尚需时日。在已知的全部太赫兹波发生方式中,重复脉冲磁场与电子螺旋管的结合应用是实现大功率太赫兹波输出的最佳选择,而重复磁场电源系统是实现周期性脉冲强磁场的必要条件。本文针对“磁感应强度15T,重复精度0.3%,周期1min”的重复脉冲磁场的需求,设计了配套的电容型磁场电源系统。
  本文首先根据设计需求,比较了几种充放电技术优缺点,选择以高频LCC串并联谐振电路、晶闸管放电开关为基础,设计了完整的系统拓扑电路及硬件实现方案;依照重复充电精度的要求,将充电过程分为了若干阶段,采用脉冲频率调节方式(PFM)分阶段调节充电速度;基于系统周期性运行的要求,设计了重复充放电及故障状态时的软件实现方案。对于变压器寄生参数影响充电工作方式的问题,使用AP法及三明治绕法设计了高频变压器,将其寄生参数对谐振电路的干扰降至可接受范围;针对精确采集电容电压信号的需求,利用低温漂特性的分压器、运算放大器及24位模数转换芯片,采用信号差模放大原理,设计了理论精度为0.1%的电压采集电路。最后搭建了试验测试系统,展开有关试验并分析试验结果;描述了调试过程中遇到的异常情况,详细探讨其发生原因,并提出相应的解决方案及改进后的效果,明确了需要优化的内容和今后工作方向。

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